無人機技術在森林火災監測中的應用研究

摘要：森林火災的危害不容小覷，不僅會嚴重破壞生態環境、損耗森林資源，也給人類生命和財產安全造成極大威脅。以往的森林火災監測手段已難以滿足高效防控的需求。隨著科技發展，無人機技術因其靈活、便捷、高分辨率成像等優勢，在森林火災監測中得到廣泛應用。本文深入剖析無人機技術在森林火災監測中的應用情況，解析無人機系統的構成及其核心技術，探討其在火災預防、火情監測、災后評估等環節的實際運用，同時探討現存的挑戰及未來發展方向，以期為增強森林火災監測能力，更好地預防和處理森林火災提供參考依據。

關鍵詞：無人機；森林火災；監測應用

森林火災堪稱森林資源的最大威脅之一，其爆發突然、擴散迅猛，一旦燃起，常常帶來難以估量的經濟損失，對生態造成嚴重破壞。據相關統計[1]，全球每年都有數百萬公頃的森林毀于火災。傳統的森林火災監測方法，如地面瞭望塔、人工巡邏以及衛星遙感監測等，雖然在森林防火工作中起到了一定作用，但都有各自的弊端。地面瞭望塔受地形與天氣制約，監測范圍受限；人工巡邏效率低下、勞動強度大，還存在不少監測死角；衛星遙感監測的時間分辨率較低，無法及時捕捉火災的實時動態。無人機技術的誕生，為森林火災監測開辟了新路徑。它機動性強、靈活度高，能進行近距離監測，有效克服了傳統監測手段的弊端，在森林火災監測領域的重要性與日俱增。

1 無人機系統組成及關鍵技術

1.1 無人機系統組成

無人機系統由多個關鍵部分協同構成，各部分各司其職，共同保障無人機在森林火災監測中的高效運作。

飛行器是整個系統的硬件基礎，依據不同應用場景，有固定翼、多旋翼、直升機無人機這幾類。固定翼無人機續航長、速度快，在日常大面積森林巡檢時能快速覆蓋大片區域；多旋翼操作簡單、可靈活懸停，適合復雜地形和火災現場的精細化觀察；直升機無人機功能更綜合，能完成特殊任務，但制作成本和維護難度較高。

任務載荷用于收集森林火災信息，像常見的可見光相機憑借高分辨率圖像，幫助識別煙霧、火源；紅外熱像儀利用溫度感應，不懼夜晚和煙霧，精準定位火源；多光譜相機通過分析光譜，評估森林植被健康、排查火災隱患。

數據傳輸系統負責將數據從無人機傳輸至地面控制站，常見方式有無線數字傳輸和衛星通信傳輸。前者速率高、成本低，適合短距離數據回傳；后者不受距離限制，可實現全球數據傳輸，不過成本高、速度慢[2]。

地面控制站是整個系統的“大腦”，操作人員在這里規劃任務、遠程操控無人機，實時掌握飛行狀態與任務進度，借助專業軟件處理分析回傳數據，確保無人機安全飛行與數據高效利用。

1.2 關鍵技術

無人機在森林火災監測中高效運行，離不開三大關鍵技術的有力支撐。

首先是導航與定位技術，這是確保無人機精準飛行至目標監測區域的核心所在。現階段，全球衛星導航系統（GNSS）是無人機定位的主要依靠，比如常用的GPS以及我國自主研發的北斗系統。不過，為進一步提升定位的精準度與可靠性，還會融合慣性導航系統（INS）和視覺導航技術。在衛星信號不佳甚至丟失時，慣性導航系統能憑借測量無人機的加速度和角速度，持續推算其位置與姿態；視覺導航則借助無人機搭載的相機，采集周圍環境圖像，經圖像識別和分析，實現自主導航與智能避障，大大提升無人機飛行的自主性與安全性[3]。

其次是圖像處理與分析技術。無人機工作時會收集海量圖像和視頻數據，必須快速、精準處理分析，才能從中提煉出森林火災相關關鍵信息。這一技術涵蓋圖像增強、目標檢測與識別、圖像拼接與鑲嵌等多個環節。圖像增強能優化圖像對比度和清晰度，為后續目標檢測打好基礎；目標檢測與識別算法，可自動識別圖像里的煙霧、火源、燃燒區域等關鍵特征；圖像拼接與鑲嵌技術，則將眾多拍攝小圖拼接成一幅完整的大區域圖像，助力全面分析評估森林火災狀況[4]。

最后是通信技術，它是保障無人機與地面控制站數據傳輸、指令交互穩定可靠的基礎。除了常見的數據傳輸方式，通信協議的精心設計與持續優化也至關重要，以此提升通信效率和抗干擾能力。隨著5G技術興起，其高速率、低延遲、大連接的特性，為無人機森林火災監測應用開拓了更廣闊前景，有望實現更實時、高清的數據傳輸與遠程控制，極大提升監測工作的時效性與準確性。

2 無人機技術在森林火災監測中的應用

2.1 火災預防階段

在森林火災預防環節，無人機發揮著極為重要的作用，主要體現在森林資源巡檢與火源探測預警兩大方面。

森林資源巡檢時，無人機定期“出征”，憑借其靈活的飛行特性，深入到那些人力難以企及的偏遠山林地帶，對森林展開全面“體檢”。它可以獲取森林植被生長態勢、地形地貌特征以及可燃物分布狀況等關鍵信息。通過分析無人機拍攝的高分辨率影像，能像“火眼金睛”一般，精準找出樹木病蟲害侵襲區域以及生長異常之處。舉例來說，在某山區，無人機巡檢就立下大功。它發現一片松樹因松材線蟲病大量枯萎死亡，這些枯死樹木極易引發自燃，成為火災的潛在隱患。相關部門得到消息后，迅速行動，及時清理，成功將火災風險扼殺在搖籃中。不僅如此，借助對林下枯枝落葉分布情況的分析，還能科學規劃重點防火隔離帶的建設區域，進一步降低火災發生的可能性[5]。

在火源探測與預警方面，重點防火區域是無人機的“主戰場”。無人機搭載紅外熱像儀等設備進行低空飛行巡查，能夠快速鎖定隱藏在森林里的高溫火源，不管是野外違規用火、未熄滅的煙頭，還是自燃的泥炭，都逃不過它的“法眼”。在一次林區巡邏中，無人機通過紅外熱像儀敏銳捕捉到一處溫度異常點，經核實是游客違規野炊。無人機馬上向地面控制站發出警報，工作人員第一時間趕到現場制止，成功阻止了一場可能發生的火災。此外，結合氣象數據和地理信息系統（GIS），還能對火源的擴散趨勢進行科學預測，提前做好火災防控準備，比如依據風向、風速和地形，預測火勢蔓延方向，提前疏散周邊居民，并合理部署滅火力量。

2.2 火災發生時監測

森林火災一旦爆發，快速且精準的現場監測對控制火情極為關鍵，無人機在這一過程中扮演著不可或缺的角色。

火災發生時，無人機迅速飛赴現場，成為地面指揮中心的“千里眼”，實時捕捉火災現場的圖像與視頻，將火勢大小、蔓延方向、煙霧擴散范圍等重要信息源源不斷傳輸回去。消防指揮人員借此全面掌握火災態勢，制定科學滅火方案。在一場大型森林火災里，無人機多角度拍攝，使指揮人員清晰洞察火勢在山谷的蔓延路徑，進而靈活調整滅火力量，及時開辟防火隔離帶，有效阻止火勢蔓延。另外，無人機搭載的氣體傳感器還能監測火災現場有害氣體濃度，當檢測到一氧化碳、二氧化硫等氣體超標，立即提醒消防人員做好防護，保障他們的人身安全。

在火災撲救期間，無人機持續跟蹤火情，實時掌握火勢變化與滅火成效。通過對比不同時段拍攝的現場圖像，分析燃燒區域的動態，為滅火策略調整提供數據依據。若圖像顯示某區域火勢減弱，便可知滅火措施有效，可靈活調配力量至火勢較大區域。同時，無人機密切關注火災周邊環境，預防火災復燃與次生災害，比如監測火災后的山體，及時發現土壤松動引發泥石流的隱患，全方位助力火災撲救與后續防范工作。

2.3 火災撲救后評估

森林火災撲滅并不意味著工作結束，后續的火災損失評估與生態環境監測，對森林恢復和生態保護意義重大，無人機在其中發揮關鍵作用。

在火災損失評估方面，無人機迅速出動，對受災區域進行航拍，獲取清晰、高分辨率圖像數據。借助圖像處理技術，再結合森林資源檔案，工作人員便能精準計算火災造成的各項損失。比如在某次火災后，通過分析無人機航拍數據，明確了燒毀林地的具體面積，統計出不同樹種的損毀數量。這些數據是制定森林恢復計劃的重要依據，林業部門可以根據樹種特性，規劃補種方案。同時，詳實的數據為申請救災資金提供了支撐，讓相關部門直觀了解火災損失，也為火災責任認定提供了有力證據[6]。

森林火災對生態環境影響深遠，生態環境監測必不可少。無人機搭載多光譜相機、高光譜相機等設備，對受災區域展開全方位監測。通過多光譜圖像，分析植被覆蓋度的變化，判斷植被恢復進度，為植被修復提供參考；檢測土壤含水量，幫助確定土壤改良方向；監測水質指標，掌握水源受污染程度，從而制定針對性治理措施。通過這些監測，能更科學地開展生態修復和重建工作，助力受災區域生態系統的恢復。

3 無人機技術在森林火災監測應用中存在的問題

盡管無人機技術為森林火災監測帶來顯著變革，但其在實際應用中仍面臨諸多挑戰。

續航能力短板顯著。市面上多數無人機續航時長僅幾十分鐘到幾小時，這對于廣袤森林的監測而言，監測范圍與時長都受到極大制約。特別是在偏遠山區與復雜地形環境下，無人機需頻繁充電或更換電池，不僅耗時耗力，監測效率大打折扣，甚至可能致使監測任務被迫中斷，無法對大面積區域進行持續、全面的監控。

數據處理與分析能力也亟待提升。伴隨無人機監測頻次增加與精度提高，數據量呈爆發式增長，對數據處理的實時性和準確性要求愈發嚴苛。然而現有的數據處理軟件與算法，在應對森林火災這類復雜場景數據時，存在明顯不足，難以在短時間內精準提煉關鍵信息，使得監測結果的時效性和可靠性難以保障，無法為火災防控提供及時、有效的數據支撐。

無人機飛行受天氣條件制約嚴重。強風、暴雨、大霧等惡劣天氣是無人機執行任務的“大敵”。這些天氣不僅干擾無人機飛行的安全與穩定，還會降低任務載荷的性能，致使獲取的監測數據質量下滑，甚至在極端情況下無法采集到有效數據，極大限制了無人機在復雜氣象條件下的應用。

法律法規與行業標準缺失。目前，無人機在森林火災監測領域缺乏完善的法律規范與行業標準。飛行空域如何合理規劃、數據隱私怎樣有效保護、操作人員資質如何規范認證等問題懸而未決，這些不確定因素給無人機大規模應用與推廣設置了障礙，阻礙了其在森林火災監測中發揮更大效能。

4 無人機技術在森林火災監測中的發展趨勢

4.1 在續航能力提升上，長航時無人機技術研發成為關鍵突破口

研究人員正致力于采用新型輕質高強度材料，優化動力系統，革新能源管理技術，以此延長無人機續航時間。例如，太陽能無人機的探索已初見成果，通過將太陽能轉化為飛行能源，理論上能夠實現長時間不間斷飛行，滿足大面積森林長時間監測的需求。

4.2 智能化數據處理與分析技術將深度融入無人機監測體系

隨著人工智能、機器學習、深度學習技術的飛速發展，智能算法模型的構建成為可能。這些模型可自動識別、分析森林火災信息，實現早期精準預警、實時動態監測和高效評估，大幅提升監測效率與準確性。同時，借助大數據技術對海量監測數據進行存儲、挖掘，為火災防控決策提供全面且深入的依據。

4.3 多機協同監測技術的發展將顯著提升監測效能

未來，多架無人機協同作業，實現對森林區域全方位、立體式掃描。比如，利用固定翼無人機進行快速大面積巡查，多旋翼無人機針對重點區域精細觀測，不同類型無人機通過數據共享與協同控制，構建高效監測網絡，極大提高火災監測與響應速度。

4.4 無人機技術與其他監測手段的融合將打造更完善的監測體系

與衛星遙感、地面傳感器網絡等技術深度結合，發揮衛星遙感宏觀監測、地面傳感器實時監測局部環境參數的優勢，無人機則在中間尺度靈活補充，實現對森林火災全時段、全范圍的覆蓋監測，全面提升森林火災監測的整體水平[7]。

4.5 隨著無人機應用日益廣泛，完善法律法規和行業標準迫在眉睫

政府部門將強化對無人機飛行空域的管理，制定科學飛行規則與安全標準，規范操作流程。行業協會與企業也會積極參與，制定數據采集、處理、存儲和應用等標準，為無人機技術在森林火災監測領域的健康、有序發展保駕護航。

5 結語

在森林火災防控領域，無人機技術以其鮮明優勢，貫穿火災預防、監測與撲救后評估全程，有力支撐著森林保護工作。盡管當前應用存在續航、數據處理等問題，但隨著技術革新，這些短板將被補齊，與其他監測技術融合也會更深入。加之法規標準不斷完善，無人機應用前景無限，有望成為森林火災監測核心技術，為生態保護貢獻更大力量，我們應重視并大力推動其發展。

參考文獻

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[3] 李炯，等無人機景象匹配視覺導航技術綜述[J].中國科學：信息科學，2020，49（5）：507-519.

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[7] 袁傳武，張維，王崇順，等.空天地一體化森林防火監測關鍵技術及實現[J].湖北林業科技，2021，50（2）：66-70.